JP2007149691A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell system including above - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell system including above. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte membrane includes a polymer matrix bridged with hardening oligomer, and a proton conductive polymer of nano-size existing in the polymer matrix. Since the polymer electrolyte membrane for the fuel cell can be rapidly and easily manufactured, it has good productivity, and also, the fuel cell can be made to be thin, has good size stability and a hydrocarbon fuel blocking property, and good output density. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用高分子電解質膜及びこれを含む燃料電池システムに係り、より詳しくは、機械的強度を増加させることができ、寸法安定性及び燃料のクロスオーバを効果的に遮断することができる燃料電池用高分子電解質膜及びこれを含む燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell system including the same, and more specifically, can increase mechanical strength and effectively cut off dimensional stability and fuel crossover. The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell system including the same.

燃料電池は、メタノール、エタノール、天然気体のような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の化学反応エネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。このような燃料電池は化石エネルギーを代替できる清浄エネルギー源として、単位電池の積層によるスタック構成により多様な範囲の出力を出すことができるという長所を有しており、小型リチウム電池に比べて4〜10倍のエネルギー密度を現わすので、小型及び移動用携帯電源として注目されている。   A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based substance such as methanol, ethanol, and natural gas into electric energy. Such a fuel cell has an advantage that it can output a wide range of outputs by stacking a stack of unit cells as a clean energy source that can replace fossil energy. Since it shows 10 times the energy density, it is attracting attention as a compact and mobile power source for mobile use.

燃料電池の代表的な例としては、高分子電解質形燃料電池(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell)、直接酸化型燃料電池(Direct Oxidation Fuel Cell)が挙げられる。前記直接酸化型燃料電池で燃料でメタノールを使用する場合は直接メタノール燃料電池(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)という。   Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is referred to as a direct methanol fuel cell (DMFC).

前記高分子電解質形燃料電池は、エネルギー密度が大きく、出力が高いという長所を有しているが、水素ガスの取り扱いに注意を要し、燃料ガスである水素を生産するために、メタンやメタノール及び天然ガスなどを改質するための燃料改質装置などの付帯設備を必要とするという問題点がある。   The polymer electrolyte fuel cell has the advantages of high energy density and high output, but requires attention to handling of hydrogen gas, and in order to produce hydrogen as a fuel gas, methane and methanol In addition, there is a problem that ancillary equipment such as a fuel reformer for reforming natural gas or the like is required.

これに反し、直接酸化型燃料電池は、高分子電解質形燃料電池に比べてエネルギー密度は低いが、燃料の取り扱いが容易であり、運転温度が低いので常温で運転が可能であり、特に、燃料改質装置を必要としないという長所がある。   On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but the fuel is easy to handle and can be operated at room temperature because of its low operating temperature. There is an advantage that no reformer is required.

このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、電極接合体(Membrane−Electrode Assembly: MEA)とセパレータ(Separator)(又は二極式プレートとも言う)からなる単位セルが数個乃至数十個積層された構造を有する。前記電極接合体は、水素イオン伝導性高分子を含む高分子電解質膜を隔てて、アノード電極(一名、“燃料極”又は“酸化電極”という)とカソード電極(一名“カソード”又は“還元電極”という)が位置する構造を有する。   In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity includes several unit cells each including an electrode assembly (MEB) and a separator (also referred to as a bipolar plate). It has a structure in which thru tens are stacked. The electrode assembly is separated from a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer by an anode electrode (referred to as “fuel electrode” or “oxidation electrode”) and a cathode electrode (referred to as “cathode” or “ It has a structure in which a reduction electrode is called.

燃料電池で電気を発生させる原理は燃料が、燃料極のアノード電極に供給されてアノード電極の触媒に吸着し、燃料が酸化されて水素イオンと電子を生成させ、この時に発生した電子は外部回路に沿って酸化極のカソード電極に到達し、水素イオンは、高分子電解質膜を通過してカソード電極に伝達される。カソード電極に酸化剤が供給され、この酸化剤、水素イオン、及び電子がカソード電極の触媒上で反応して水を生成しながら、電気を発生させるようになる。   The principle of generating electricity in the fuel cell is that the fuel is supplied to the anode electrode of the fuel electrode and adsorbed on the catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. And reaches the cathode electrode of the oxidation electrode, and hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are transmitted to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode electrode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode electrode to generate water while generating electricity.

前記高分子電解質膜は、アノード電極及びカソード電極を電気的に分離する絶縁体であるが、電池作動中にアノード電極からカソード電極に水素イオンを伝達する媒介体として作用し、反応気体又は液体を分離する役割を同時に果たす。したがって、高分子電解質膜は電気化学的安定性が優れていなければならず、高電流密度で抵抗損失が少なくなければならず、電池作動中に反応物の分離能が優れているだけでなく、スタック構成のためには、一定の水準の機械的物性と寸法安定性が要求される。   The polymer electrolyte membrane is an insulator that electrically separates the anode electrode and the cathode electrode. The polymer electrolyte membrane acts as a medium for transmitting hydrogen ions from the anode electrode to the cathode electrode during battery operation. Play the role of separation at the same time. Therefore, the polymer electrolyte membrane must have excellent electrochemical stability, high current density and low resistance loss, not only excellent separation of reactants during battery operation, A stack structure requires a certain level of mechanical properties and dimensional stability.

前記高分子電解質膜としては、1968年デュポン社(E.I. Du pont de Nemours, Inc.)より、疎水性のポリテトラフルオロエチレンを主鎖にし、側鎖に、親水性のスルホン基含有官能基を有するペルフルオロスルホン酸系統の陽イオン交換樹脂(商品名:ナフィオン(登録商標))を開発した以来、ナフィオン(登録商標)が広い範囲で使用されている。   As the polymer electrolyte membrane, from 1968 DuPont de Nemours, Inc., a hydrophobic polytetrafluoroethylene as a main chain and a hydrophilic sulfone group-containing functional group in the side chain. Since the development of a perfluorosulfonic acid-based cation exchange resin having a group (trade name: Nafion (registered trademark)), Nafion (registered trademark) has been widely used.

ポリテトラフルオロエチレン主鎖により、酸素の溶解度が大きく、電気化学的安定性、耐久性などにおいて炭化水素系の高分子電解質膜より遥かに優れているという長所を有している。   The polytetrafluoroethylene main chain has the advantages of high oxygen solubility and far superiority to hydrocarbon polymer electrolyte membranes in terms of electrochemical stability and durability.

ナフィオン(登録商標)高分子電解質膜は、ポリテトラフルオロエチレン主鎖によって、酸素の溶解度が大きく、電気化学的安定性、耐久性などにおいて炭化水素系の高分子電解質膜より遥かに優れているという長所を有している。しかしナフィオン(登録商標)高分子電解質膜は、高分子重量の約20%程度が水化されると(つまり、ペンダント基内に含まれているスルホン基が遊離されたスルホン酸に加水分解されると)水素イオンに対する伝導性を現わすため、燃料電池に使用される反応気体は、高分子電解質膜を水化させるために必ず水で飽和させなければならない。しかし、水の沸点である100℃以上では水分が次第に乾燥するために抵抗が増加し、電池の性能が急激に低下する。   The Nafion (registered trademark) polymer electrolyte membrane has a large oxygen solubility due to the polytetrafluoroethylene main chain, and is far superior to hydrocarbon polymer electrolyte membranes in terms of electrochemical stability and durability. Has advantages. However, when about 20% of the polymer weight of the Nafion (registered trademark) polymer electrolyte membrane is hydrated (that is, the sulfone group contained in the pendant group is hydrolyzed to the sulfonic acid from which it has been released). In order to exhibit conductivity with respect to hydrogen ions, the reaction gas used in the fuel cell must be saturated with water in order to hydrate the polymer electrolyte membrane. However, when the boiling point of water is 100 ° C. or higher, the moisture gradually dries, so the resistance increases and the performance of the battery rapidly decreases.

また、ナフィオン(登録商標)高分子電解質膜は、通常、50乃至175μmの厚さで市販され、高分子メルト(melt)の圧出(extrusion)や溶媒蒸発(solvent casting)によってフィルム形態に製造される。この時、厚さを増加させて寸法安定性及び機械的物性を向上させようとすると高分子電解質膜の伝導性が減少する反面、高分子電解質膜の抵抗を低くするために厚さを減少させると機械的物性が低下する。特に、メタノール燃料電池では、電池作動中に反応しない液体メタノール燃料が高分子電解質膜を通過して(methanol crossover)燃料の損失を招くだけでなく、メタノールがカソード電極で酸化されてしまって酸素の還元サイトを減少させ、電池性能を低下させて燃料の損失を招く。   In addition, Nafion (registered trademark) polymer electrolyte membranes are usually marketed in a thickness of 50 to 175 μm, and are manufactured in a film form by polymer melt extrusion or solvent casting. The At this time, increasing the thickness to improve dimensional stability and mechanical properties decreases the conductivity of the polymer electrolyte membrane, but decreases the thickness to reduce the resistance of the polymer electrolyte membrane. And mechanical properties deteriorate. In particular, in a methanol fuel cell, not only does liquid methanol fuel that does not react during cell operation pass through the polymer electrolyte membrane, resulting in fuel loss, but also methanol is oxidized at the cathode electrode and oxygen The reduction sites are reduced, the battery performance is lowered, and fuel loss is caused.

また、ナフィオン(登録商標)高分子電解質膜は、温度及び水化の程度によって疎水性領域と微細相分離された親水性クラスタの膨潤と収縮が繰り返されて、15〜20%内外の厚さと体積の変化を伴うため、薄膜状態では寸法安定性が低下し、電極と電解質界面が劣化するという短所がある。したがって、広い温度の範囲で水素イオン伝導性を維持しながら、機械的物性、寸法安定性、燃料分離能、及び経済性が向上した高分子電解質膜を製造するための技術を開発するための研究が全世界的に活発に行われている。   In addition, Nafion (registered trademark) polymer electrolyte membrane is repeatedly swollen and shrunk in hydrophilic clusters finely phase-separated from the hydrophobic region depending on the temperature and the degree of hydration. Therefore, the dimensional stability is lowered in the thin film state, and the electrode and the electrolyte interface are deteriorated. Therefore, research to develop technology for producing polymer electrolyte membranes with improved mechanical properties, dimensional stability, fuel separation performance, and economy while maintaining hydrogen ion conductivity over a wide temperature range Is actively conducted worldwide.

本発明の目的は、伝導性を低下させずに強度特性を向上させ、経済的に製造可能な燃料電池用高分子電解質膜を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that can be produced economically with improved strength characteristics without reducing conductivity.

本発明の他の目的は、優れた電池性能を現わす燃料電池用高分子電解質膜を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte membrane for a fuel cell that exhibits excellent battery performance.

本発明の他の目的は、前記高分子電解質膜を含む燃料電池システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the polymer electrolyte membrane.

前記目的を達成するために本発明は、硬化型オリゴマーが架橋された高分子マトリックス、及び前記高分子マトリックス内に存在するナノサイズのプロトン伝導性高分子を含む燃料電池用高分子電解質膜を提供する。   To achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a polymer matrix in which a curable oligomer is crosslinked, and a nano-sized proton conducting polymer present in the polymer matrix. To do.

本発明はまた、互いに対向して位置したアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に位置し、前記構成を有する高分子電解質膜とを含む少なくとも一つの電極接合体及びセパレータを含み、燃料と酸化剤の電気化学的反応を通じて電気を生成させる少なくとも一つの電気発生部を含み、燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部、及び酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部を含む燃料電池システムを提供する。   The present invention also provides at least one electrode assembly and separator including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane having the above-described configuration and positioned between the anode electrode and the cathode electrode. Including at least one electricity generating part for generating electricity through an electrochemical reaction between the fuel and the oxidant, a fuel supply part for supplying fuel to the electricity generating part, and an oxidant for supplying to the electricity generating part A fuel cell system including an oxidant supply unit is provided.

本発明の燃料電池用高分子電解質膜は、迅速にかつ容易に製造することができるので量産性に優れており、また、薄膜化が可能であり、寸法安定性と炭化水素燃料遮断性が優れており、出力密度が優れた燃料電池を提供することができる。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention can be manufactured quickly and easily, and is excellent in mass productivity. Further, the polymer electrolyte membrane can be thinned, and has excellent dimensional stability and hydrocarbon fuel barrier properties. Therefore, a fuel cell with excellent power density can be provided.

以下、本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明は、燃料電池用高分子電解質膜に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.

従来、高分子電解質膜として用いられていたペルフルオロスルホネート高分子電解質膜は、寸法安定性及び機械的安定性を向上させるために、厚さを増加させると、高分子電解質膜の伝導性が減少し、高分子電解質膜の抵抗を減少させるために、厚さを減少させると、機械的物性が低下するという問題があり、また、メタノールのような炭化水素燃料がカソード電極側にクロスオーバされる問題があった。   Conventionally, perfluorosulfonate polymer electrolyte membranes that have been used as polymer electrolyte membranes increase the thickness to increase dimensional stability and mechanical stability, and the conductivity of the polymer electrolyte membranes decreases. If the thickness is decreased in order to reduce the resistance of the polymer electrolyte membrane, there is a problem that mechanical properties are deteriorated, and a hydrocarbon fuel such as methanol is crossed over to the cathode electrode side. was there.

これと関連して、米国特許第5,547,551号、第5,599,614号、及び第5,635,041号には、延伸された多孔性ポリテトラフルオロエチレン高分子電解質膜(米国特許第3,953,566号及び第3,962,153号)に液体状態の陽イオン交換高分子溶液を含浸させて、強化複合体高分子電解質膜(商品名:Gore−SelectTM)を製造する方法が開示されている。前記方法によって製造された高分子電解質膜は、ナフィオン(登録商標)高分子電解質膜に比べて水素イオンの伝導度(単位:Ω−1cm−1)は低いが、多孔性高分子支持体によって機械的強度が維持されるので、25μm内外の高分子薄膜を製造することができ、複合高分子電解質膜の伝導性(単位:Ω−1cm−2)は相対的にナフィオン(登録商標)高分子電解質膜より優れていることが知られている。特に、Gore−SelectTMメンブレインを使用して製造された膜−電極接合体(商品名:PRIMEATM)は、100℃以下で最も優れた高分子電解質燃料電池性能を見せている。 In this context, US Pat. Nos. 5,547,551, 5,599,614, and 5,635,041 describe stretched porous polytetrafluoroethylene polymer electrolyte membranes (US Patent Nos. 3,953,566 and 3,962,153) are impregnated with a cation exchange polymer solution in a liquid state to produce a reinforced composite polymer electrolyte membrane (trade name: Gore-Select ). A method is disclosed. The polymer electrolyte membrane produced by the above method has a lower hydrogen ion conductivity (unit: Ω −1 cm −1 ) than that of the Nafion (registered trademark) polymer electrolyte membrane. Since the mechanical strength is maintained, a polymer thin film having a thickness of 25 μm can be produced, and the conductivity (unit: Ω −1 cm −2 ) of the composite polymer electrolyte membrane is relatively high in Nafion (registered trademark). It is known that it is superior to molecular electrolyte membranes. In particular, the membrane-electrode assembly (trade name: PRIMEA ) manufactured using the Gore-Select membrane shows the most excellent polymer electrolyte fuel cell performance at 100 ° C. or lower.

しかし、前記方法によって製造された高分子電解質膜は、支持体として非伝導性のポリテトラフルオロエチレンを使用するため、純粋なナフィオン(登録商標)メンブレインに比べて水素イオンの伝導度が低下するという短所がある。   However, since the polymer electrolyte membrane manufactured by the above method uses non-conductive polytetrafluoroethylene as a support, the conductivity of hydrogen ions is lower than that of pure Nafion (registered trademark) membrane. There are disadvantages.

その他にも、米国特許第6,130,175号は、メチルエステル前駆体形態の過フッ化カルボキシル官能基を有するイオン交換高分子樹脂を第1イオン交換物質として、多孔性ポリテトラフルオロエチレンフィルムの一側面に含浸させ、他側面には、第2イオン交換物質として過フッ化スルホニック官能基を有するイオン交換高分子樹脂を含浸させて、前記第1及び第2イオン交換物質が少なくとも前記フィルムの表面近くの気孔を充填又は閉塞させ、これによってイオン伝導度及び機械的物性を向上させることができることを開示している。また、米国特許第6,042,958号は、多孔性ポリテトラフルオロエチレンフィルムの両面に不織ガラス繊維基質を付着した後、過フッ化スルホン酸系高分子を含浸させる方法を開示している。   In addition, US Pat. No. 6,130,175 discloses a porous polytetrafluoroethylene film having a methyl ester precursor-form ion-exchange polymer resin having a perfluorocarboxyl functional group as a first ion-exchange material. One side surface is impregnated, and the other side surface is impregnated with an ion exchange polymer resin having a perfluorinated sulfonic functional group as a second ion exchange material, so that the first and second ion exchange materials are at least on the surface of the film. It discloses that nearby pores can be filled or occluded, thereby improving ionic conductivity and mechanical properties. U.S. Pat. No. 6,042,958 discloses a method of impregnating a perfluorinated sulfonic acid polymer after attaching a non-woven glass fiber substrate to both sides of a porous polytetrafluoroethylene film. .

しかし、前述の方法で製造された複合高分子電解質膜は、本質的に非伝導性の有機又は無機支持体を使用するために伝導性の低下が発生し、伝導度の低下を防止するために膜の厚さを25μm内外に減少させることにより、相対的に引裂強度が低い。一方、空隙率が80%内外の高価の多孔性ポリテトラフルオロエチレン支持体の上にナフィオン(登録商標)樹脂を含浸させなければならないため、原価負担が大きい。また、湿潤性の低いポリテトラフルオロエチレンフィルムの上にイオン交換樹脂を反復的に含浸させなければならないため、製造工程が遅く、不連続的であるという短所を有している。特に、薄膜状態では液体メタノールの分離能が低いため、メタノールを燃料極に直接注入する直接メタノール燃料電池(DMFC)に適用すると、燃料損失が非常に大きく、触媒の効率を低下させて、電池性能を急激に落とすということが短所に指摘されている。   However, the composite polymer electrolyte membrane manufactured by the above-described method uses a non-conducting organic or inorganic support, so that a decrease in conductivity occurs and a decrease in conductivity is prevented. By reducing the thickness of the film in and out of 25 μm, the tear strength is relatively low. On the other hand, since a Nafion (registered trademark) resin must be impregnated on an expensive porous polytetrafluoroethylene support having a porosity of 80% or less, the cost burden is large. In addition, since the ion exchange resin must be repeatedly impregnated on the polytetrafluoroethylene film having low wettability, the manufacturing process is slow and discontinuous. In particular, since the separation capability of liquid methanol is low in the thin film state, when it is applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) in which methanol is directly injected into the fuel electrode, the fuel loss is very large and the efficiency of the catalyst is reduced, so that the cell performance It has been pointed out as a disadvantage that it drops drastically.

このような従来の問題点を解決するために提案された多様な物質を混合して製造される複合電解質膜は、伝導性が減少し、また、伝導性低下を防止するために高分子電解質膜の厚さを薄くすることにより機械的強度が低下し、工程が複雑であり、また、電池性能を低下させるという問題点があった。   The composite electrolyte membrane manufactured by mixing various substances proposed to solve the conventional problems is reduced in the conductivity, and the polymer electrolyte membrane is used to prevent the decrease in conductivity. By reducing the thickness, the mechanical strength is lowered, the process is complicated, and the battery performance is lowered.

本発明では、図1に示したように、低分子量であり、常温で液体状態である硬化型オリゴマーとナノサイズのプロトン伝導性高分子を均一に混合して分散液を製造し(S1)、この分散液に反応開始剤を追加し、電子ビーム又は紫外線を照射して、オリゴマーの架橋反応を誘導して(S2)高分子電解質を製造し、前記問題を解決した。   In the present invention, as shown in FIG. 1, a dispersion liquid is produced by uniformly mixing a curable oligomer having a low molecular weight and in a liquid state at room temperature with a nano-sized proton conductive polymer (S1), A reaction initiator was added to this dispersion, and an electron beam or ultraviolet light was irradiated to induce a crosslinking reaction of the oligomer (S2) to produce a polymer electrolyte, thereby solving the above problem.

以下、本発明の高分子電解質膜の製造工程を各段階別にまず説明し、各々の製造段階で使用された成分については、以降の高分子電解質膜の説明時に説明する。但し、開始剤は製造工程上で使用され、最終高分子電解質膜では残存しないので、本発明の製造工程の説明時に説明する。   Hereinafter, the manufacturing process of the polymer electrolyte membrane of the present invention will be described first for each stage, and components used in each manufacturing stage will be described in the following description of the polymer electrolyte membrane. However, since the initiator is used in the manufacturing process and does not remain in the final polymer electrolyte membrane, it will be described when explaining the manufacturing process of the present invention.

まず、低分子量であり、常温で液体状態である硬化型オリゴマーとナノサイズのプロトン伝導性高分子を均一に混合して、分散液を製造する(S1)。   First, a curable oligomer having a low molecular weight and in a liquid state at room temperature and a nano-sized proton conductive polymer are uniformly mixed to produce a dispersion (S1).

前記硬化型オリゴマーとナノサイズのプロトン伝導性高分子の混合工程(S1)において、硬化型オリゴマーとナノサイズのプロトン伝導性高分子の混合比率は10乃至90:10乃至90質量比が好ましく、30乃至70:30乃至70質量比がより好ましい。   In the mixing step (S1) of the curable oligomer and the nano-sized proton conductive polymer, the mixing ratio of the curable oligomer and the nano-sized proton conductive polymer is preferably 10 to 90:10 to 90 mass ratio, A ratio of thru 70:30 to 70 is more preferable.

前記プロトン伝導性高分子は、固形で使用することもできるが、一般的に溶媒に添加して液状で使用するのが好ましく、前記溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール、N−メチル−2−ピロリジノン(N−methyl−2−pyrrolidinone; NMP)、ジメチルホルムアミド(dimethylformamide; DMF)、ジメチルアセトアミド(dimethyl acetamide; DMA)、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran; THF)、ジメチルスルホキシド(dimethyl sulfoxide; DMSO)、アセトン、メチルエチルケトン(methyl ethyl ketone; MEK)、テトラメチルウレア、リン酸トリメチル、ブチロラクトン、イソホロン、カルビトールアセテート、メチルイソブチルケトン、N−ブチルアセテート、シクロヘキサノン、ジアセトンアルコール、ジイソブチルケトン、エチルアセトアセテート、グリコールエーテル、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート又は脱イオン水及びこれらの混合物を使用することができる。より好ましくは、水と2−プロパノールの混合物を使用することができる。   The proton conductive polymer can be used in a solid form, but generally, it is preferably used in a liquid state by adding to a solvent. Examples of the solvent include ethanol, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, and n-propyl alcohol. , Alcohols such as butyl alcohol, N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), tetrahydrofuran (tetrahydrofuran), THF Dimethyl sulfoxide (DMSO), acetone, methyl ethyl ketone (methyl ethyl ketone) ne; MEK), tetramethylurea, trimethyl phosphate, butyrolactone, isophorone, carbitol acetate, methyl isobutyl ketone, N-butyl acetate, cyclohexanone, diacetone alcohol, diisobutyl ketone, ethyl acetoacetate, glycol ether, propylene carbonate, ethylene Carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate or deionized water and mixtures thereof can be used. More preferably, a mixture of water and 2-propanol can be used.

前記分散液に反応開始剤を追加し、電子ビーム又は紫外線を照射してオリゴマーの架橋反応を誘導して(S2)、高分子電解質を製造する。   A reaction initiator is added to the dispersion, and an electron beam or ultraviolet ray is irradiated to induce a crosslinking reaction of the oligomer (S2) to produce a polymer electrolyte.

前記開始剤としては、ベンゾイルペルオキシド、アセチルペルオキシド、ジラウリルペルオキシド、過硫酸カリウム、ジ−t−ブチルペルオキシドとクロロベンゾフェノンのようなアルキルペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、t−ブチルペルベンゾエートのようなペルエステル、又はアゾ化合物が挙げられる。アゾ化合物としては、RN=NR’(ここで、R及びR’は、CH、(CHC、C(CHCH)、(C)C、(CH(CN)Cである。)が挙げられる。 Examples of the initiator include benzoyl peroxide, acetyl peroxide, dilauryl peroxide, potassium persulfate, alkyl peroxides such as di-t-butyl peroxide and chlorobenzophenone, cumene hydroperoxide, peresters such as t-butyl perbenzoate, Or an azo compound is mentioned. As the azo compound, RN = NR ′ (where R and R ′ are CH 3 , (CH 3 ) 3 C, C 6 H 5 (CH 3 CH), (C 6 H 5 ) C, (CH 3 2 (CN) C.).

また、前記分散液に添加される反応開始剤の含有量は、硬化型オリゴマー100重量部に対して0.1乃至5重量部が好ましい。前記開始剤の使用量が硬化型オリゴマー100重量部に対して0.1重量部未満であると架橋度が低くなり、5重量部を超えると、架橋にむしろ物理的に妨害されて、不純物として存在する可能性が高まるので好ましくない。前記開始剤はオリゴマーの硬化を開始するための役割を果たすものであって、製造工程が完了して高分子電解質膜が製造され、触媒層が結着した後、硫酸処理過程で洗浄されて、残存しないのが好ましい。   The content of the reaction initiator added to the dispersion is preferably 0.1 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the curable oligomer. When the amount of the initiator used is less than 0.1 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the curable oligomer, the degree of crosslinking is low, and when it exceeds 5 parts by weight, it is physically disturbed by the crosslinking rather than as an impurity. Since the possibility of existing increases, it is not preferable. The initiator plays a role in initiating the curing of the oligomer, and after the production process is completed, a polymer electrolyte membrane is produced, and after the catalyst layer is bound, it is washed in the sulfuric acid treatment process, Preferably it does not remain.

同時に、前記電子ビーム又は紫外線照射工程は、常温のドライルーム(dry room)又はクリーンルーム(clean room)の条件で実施するのが好ましい。前記電子ビーム又は紫外線照射工程は、約1kVの電子ビーム又は紫外線を約10秒間照射して実施する。   At the same time, it is preferable that the electron beam or ultraviolet irradiation process is performed under conditions of a dry room or a clean room at room temperature. The electron beam or ultraviolet ray irradiation step is performed by irradiating an electron beam or ultraviolet ray of about 1 kV for about 10 seconds.

前記工程で製造される高分子電解質の場合には、50質量%夫婦の組成で添加される陽性子伝導性ナノ粒子の物理的接触による滲出(percolation)により、電解質マトリックスのイオンの伝導度は陽性子伝導性ナノ粒子自体の伝導度に近接するようになり、電子ビーム及び紫外線照射を数秒間実施すれば高分子電解質膜が製造されるので、電極支持体表面に高分子電解質膜を構成するマトリックスを速い速度で形成しながらコーティングできるので、燃料電池用膜電極接合体の量産性が改善される。同時に、本発明の高分子電解質膜は、30乃至80μmの薄い厚さで製造が可能である。   In the case of the polyelectrolyte produced in the above process, the conductivity of the electrolyte matrix is positive due to percolation by physical contact of positive conductive nanoparticles added in a composition of 50% by mass. Since the polymer electrolyte membrane can be manufactured by performing irradiation with an electron beam and ultraviolet rays for several seconds, the matrix constituting the polymer electrolyte membrane is formed on the electrode support surface. Can be coated while being formed at a high speed, so that the mass productivity of the membrane electrode assembly for fuel cells is improved. At the same time, the polymer electrolyte membrane of the present invention can be produced with a thin thickness of 30 to 80 μm.

本発明の高分子電解質膜は、硬化型オリゴマーが架橋された高分子マトリックス、及び前記高分子マトリックス内に存在するナノサイズのプロトン伝導性高分子を含む。   The polymer electrolyte membrane of the present invention includes a polymer matrix in which a curable oligomer is crosslinked, and a nano-sized proton conductive polymer present in the polymer matrix.

前記高分子マトリックスを構成する成分である硬化型オリゴマーは、鎖の両末端に各々1個の不飽和官能基を有しているものを使用することができる。その代表的な例としては、オリゴマー内のエチレンオキシド基(−CHCHO−)の数が3〜14である、下記の化学式1に示されるポリエチレングリコールジアクリレートが挙げられる。 As the curable oligomer that is a component constituting the polymer matrix, one having one unsaturated functional group at both ends of the chain can be used. A typical example is polyethylene glycol diacrylate represented by the following chemical formula 1 in which the number of ethylene oxide groups (—CH 2 CH 2 O—) in the oligomer is 3 to 14.

前記硬化型オリゴマーの分子量は、目的する高分子電解質膜の物性によって調節することができる。つまり、高分子電解質膜の柔軟性が要求される場合には、エチレンオキシド基の数が9以上である(つまり、分子量500以上である)オリゴマーを使用するのが好ましく、優れた強度が要求される場合には、これより低い分子量を有するオリゴマーを使用するのが好ましい。   The molecular weight of the curable oligomer can be adjusted by the physical properties of the target polymer electrolyte membrane. That is, when the flexibility of the polymer electrolyte membrane is required, it is preferable to use an oligomer having 9 or more ethylene oxide groups (that is, having a molecular weight of 500 or more), and excellent strength is required. In some cases it is preferred to use oligomers having a lower molecular weight.

[化1]
CR=CRCOO(CHCHO)pCOCH=CR
[Chemical 1]
CR 1 R 2 = CR 3 COO (CH 2 CH 2 O) pCOCH = CR 1 R 2

前記化学式1で、R、R、及びRは、水素原子又は炭素数1乃至12のアルキル鎖であり、この時、R乃至Rは互いに同一であるか又は相違することができ、pは3乃至14の整数である。 In Formula 1, R 1 , R 2 , and R 3 are a hydrogen atom or an alkyl chain having 1 to 12 carbon atoms, and R 1 to R 3 may be the same as or different from each other. , P is an integer from 3 to 14.

前記硬化型オリゴマーがプロトン伝導性高分子ナノ粒子と均一に混合された状態で、架橋反応によって、網状構造の高分子マトリックスを形成するので、高分子電解質膜の寸法安定性を効果的に向上させることができ、また、反応物の通過を抑制することができる。   In the state where the curable oligomer is uniformly mixed with the proton conductive polymer nanoparticles, a polymer matrix having a network structure is formed by a crosslinking reaction, so that the dimensional stability of the polymer electrolyte membrane is effectively improved. And the passage of reactants can be suppressed.

前記硬化型オリゴマーの含有量は、使用目的に適合するように、高分子電解質膜の全体の質量に対して10乃至90質量%が好ましく、20乃至80質量%がより好ましく、高分子電解質膜の伝導性を高めるためには、30乃至70質量%が最も好ましい。この時、前記硬化型オリゴマーの含有量が10質量%であると、オリゴマーの稀釈効果により、架橋度が低下するので網状構造を形成できないため、薄膜に製造する場合に寸法安定性を維持することができない反面、90質量%を超えると、高分子電解質膜のイオンの伝導度を減少させる恐れがある。   The content of the curable oligomer is preferably 10 to 90% by mass, more preferably 20 to 80% by mass with respect to the total mass of the polymer electrolyte membrane so as to suit the purpose of use. In order to increase conductivity, 30 to 70% by mass is most preferable. At this time, if the content of the curable oligomer is 10% by mass, the degree of cross-linking is reduced due to the dilution effect of the oligomer, so that a network structure cannot be formed, so that dimensional stability is maintained when manufacturing into a thin film. However, if it exceeds 90% by mass, the ion conductivity of the polymer electrolyte membrane may be reduced.

前記高分子マトリックス内に存在するナノサイズのプロトン伝導性高分子は、フッ素系、非フッ素系、及び炭化水素系プロトン伝導性高分子を使用することができる。   As the nano-sized proton conductive polymer existing in the polymer matrix, fluorine-based, non-fluorine-based, and hydrocarbon-based proton conductive polymers can be used.

前記フッ素系プロトン伝導性高分子は、側鎖に、スルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホン酸基、これらの誘導体などの陽イオン交換基を有するイオン交換樹脂を使用することができる。前記イオン交換樹脂は、3乃至33のイオン交換比を有するのが好ましい。本明細書でイオン交換比とは、高分子主鎖の炭素及び陽イオン交換基の数によって定義される値をいう。また、このようなイオン交換比を、1当量の塩基(NaOH)を中和させるために要求される酸性高分子の重量に定義される当量重量(EW)に換算すれば、約500乃至2000の当量重量に該当する。この当量重量によって水素イオンの伝導度を調節することができ、また、仮に当量重量が過度に大きい場合には電気抵抗がその分増加する反面、あまりにも小さい場合には機械的性質が低下するので、適切な範囲で調節するのが好ましい。   For the fluorine-based proton conductive polymer, an ion exchange resin having a cation exchange group such as a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, or a derivative thereof in the side chain can be used. The ion exchange resin preferably has an ion exchange ratio of 3 to 33. In this specification, the ion exchange ratio refers to a value defined by the number of carbon and cation exchange groups in the polymer main chain. Further, when such an ion exchange ratio is converted into an equivalent weight (EW) defined as the weight of the acidic polymer required for neutralizing one equivalent of base (NaOH), it is about 500 to 2,000. It corresponds to the equivalent weight. This equivalent weight can adjust the conductivity of hydrogen ions, and if the equivalent weight is excessively large, the electrical resistance increases accordingly, but if it is too small, the mechanical properties decrease. It is preferable to adjust within an appropriate range.

また、このようなフッ素系プロトン伝導性高分子の水素イオン伝導性基で、HをNa、K、Li、Cs又はテトラブチルアンモニウムに置換することもできる。側鎖末端のイオン交換基でHをNaに置換する場合にはNaOHを、テトラブチルアンモニウムを使用する場合にはテトラブチルアンモニウムヒドロキシドを使用して置換し、K、Li又はCsも適切な化合物を使用して置換することができる。この置換方法は当該分野に広く知られた内容であるので、本明細書で詳しい説明は省略する。   Further, H can be substituted with Na, K, Li, Cs, or tetrabutylammonium in the hydrogen ion conductive group of such a fluorine-based proton conductive polymer. When replacing H with Na by an ion exchange group at the end of the side chain, replace with NaOH, when using tetrabutylammonium, replace with tetrabutylammonium hydroxide, and K, Li or Cs is also a suitable compound Can be used to substitute. Since this replacement method is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted in this specification.

前記フッ素系プロトン伝導性高分子の例としては、ペルフルオロ系高分子又はフルオロエーテル系高分子が挙げられ、その具体的な例としては、下記の化学式2のポリ(ペルフルオロスルホネート)(商品名:ナフィオン(登録商標)(E.I. Dupont), Aciplex(Asahi Kasei Chemical), Flemion(Asahi Glass)及びFumion(fumatech)などで販売される。)、下記の化学式3のフルオロカーボンビニルエーテル又は下記の化学式4のフルオロ化ビニルエーテルが挙げられる。又は、米国特許第4,330,654号、第4,358,545号、第4,417,969号、第4,610,762号、第4,433,082号、第5,094,995号、第5,596,676号、及び第4,940,525号に記載されたポリマーを使用することができる。   Examples of the fluorine-based proton conductive polymer include a perfluoro-based polymer or a fluoroether-based polymer, and specific examples thereof include poly (perfluorosulfonate) of the following chemical formula 2 (trade name: Nafion) (Registered trademark) (sold by E.I. Dupont), Aciplex (Asahi Kasei Chemical), Flemion (Asahi Glass) and Fumion (fumatech), etc.), a fluorocarbon vinyl ether of the following chemical formula 3 or a chemical formula 4 of the following chemical formula 4 Fluorinated vinyl ethers may be mentioned. Or U.S. Pat. Nos. 4,330,654, 4,358,545, 4,417,969, 4,610,762, 4,433,082, and 5,094,995. No. 5,596,676, and 4,940,525 can be used.

(前記化学式2で、Xは、H、Li、Na、K、Cs又はTBA(テトラブチルアンモニウム)又はNR1R2R3R4であり、R1、R2、R3、及びR4は、独立的に、H、CH3又はC2H5であり、mは1以上、nは2、xは約5乃至13.5、そしてyは1,000以上である。) (In Formula 2, X is H, Li, Na, K, Cs or TBA (tetrabutylammonium) or NR1R2R3R4, and R1, R2, R3, and R4 are independently H, CH3, or C2H5. And m is 1 or more, n is 2, x is about 5 to 13.5, and y is 1,000 or more.)

(前記化学式3で、Rfは、フッ素又はC乃至C10のペルフルオロアルキルラジカルであり、Yは、フッ素又はトリフルオロメチルラジカルであり、nは1乃至3の整数であり、Mは、フッ素、ヒドロキシルラジカル、アミノラジカル、及び−OMe(Meは、アルカリ金属ラジカル及び4級アンモニウムラジカル)からなる群より選択されるものである。) (In Formula 3, Rf is fluorine or a C 1 to C 10 perfluoroalkyl radical, Y is fluorine or a trifluoromethyl radical, n is an integer of 1 to 3, M is fluorine, The hydroxyl radical, amino radical, and -OMe (Me is an alkali metal radical and a quaternary ammonium radical) are selected.)

(前記化学式4で、kは0又は1であり、lは3乃至5の整数である。) (In Formula 4, k is 0 or 1, and l is an integer of 3 to 5.)

前記化学式2に示したポリ(ペルフルオロスルホネート)は、鎖末端のスルホン酸基が水化される場合ミセル形態の構造を有するが、これは、水素イオン移動のための通路を提供し、典型的な水溶液酸のような動きを示す。   The poly (perfluorosulfonate) shown in Formula 2 has a micellar structure when the sulfonic acid group at the chain end is hydrated, which provides a passage for hydrogen ion migration and is typical. It behaves like an aqueous acid.

前記非フッ素系プロトン伝導性高分子には、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子、ポリフェニルキノキサリン系、ポリエーテル系、ポリフェニレンオキシド系又はポリフォスファーゼン系高分子が挙げられる。前記非フッ素系プロトン伝導性高分子の具体的な例としては、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルホン誘導体、スルホン化されたポリ(エーテルエーテルケトン)(sulfonated−poly(ether ether ketone: s−PEEK)、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフォスファーゼンが挙げられる。   The non-fluorine proton conducting polymer includes benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyethersulfone polymer, polyether. Examples thereof include ketone polymers, polyether-ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, polyether polymers, polyphenylene oxide polymers, and polyphosphazene polymers. Specific examples of the non-fluorine proton conducting polymer include polybenzimidazole, polyimide, polysulfone, polysulfone derivatives, sulfonated poly (ether ether ketone) (s-PEEK: s-PEEK). ), Polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, and polyphosphazene.

また、前記炭化水素系プロトン伝導性高分子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、フルオロエチレンポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマーなどの単量体にポリスチレンスルホン酸高分子がグラフト(graft)された形態を使用することができる。   Further, as the hydrocarbon proton conductive polymer, a form in which a polystyrene sulfonic acid polymer is grafted to a monomer such as polyethylene, polypropylene, fluoroethylene polymer, ethylene tetrafluoroethylene copolymer, or the like is used. Can do.

本発明において、前記プロトン伝導性高分子にペルフルオロ系高分子、ポリベンズイミダゾール系高分子又はポリスルホン系高分子が好ましく、ポリ(ペルフルオロスルホネート)が最も好ましい。   In the present invention, the proton conductive polymer is preferably a perfluoro polymer, a polybenzimidazole polymer or a polysulfone polymer, and most preferably poly (perfluorosulfonate).

本発明において、前記プロトン伝導性高分子は単一物又は混合物形態に使用可能であり、その使用量は、使用目的に適合するように、高分子電解質膜全体の質量に対して10乃至90質量%が好ましく、20乃至80質量%がより好ましく、30乃至70質量%が最も好ましい。   In the present invention, the proton conductive polymer can be used in the form of a single substance or a mixture, and the amount used thereof is 10 to 90 mass relative to the mass of the entire polymer electrolyte membrane so as to suit the purpose of use. % Is preferable, 20 to 80 mass% is more preferable, and 30 to 70 mass% is most preferable.

本発明による高分子電解質膜において、前記プロトン伝導性高分子ナノ粒子は、固体状態又は脱イオン水及びアルコール系溶媒に分散している非フッ素系、炭化水素系又はフッ素系陽イオン交換樹脂粒子を用いることができ、10乃至200nmの粒子大きさを有するのが好ましく、10乃至100nmが最も好ましい。   In the polymer electrolyte membrane according to the present invention, the proton-conducting polymer nanoparticles are solid-state or non-fluorine-based, hydrocarbon-based, or fluorine-based cation exchange resin particles dispersed in deionized water and an alcohol-based solvent. Can be used, preferably having a particle size of 10 to 200 nm, most preferably 10 to 100 nm.

この時、フッ素系陽イオン交換樹脂粒子の含有量があまりにも少ないと、高分子電解質膜のイオン伝導度の減少が発生し、含有量が過度に多いと、機械的強性が低下し、高分子電解質膜の燃料気体(及び/又は液体)の分離性能が低下する恐れがある。   At this time, if the content of the fluorine-based cation exchange resin particles is too small, a decrease in the ionic conductivity of the polymer electrolyte membrane occurs, and if the content is excessively large, the mechanical strength decreases and the high The separation performance of the fuel gas (and / or liquid) of the molecular electrolyte membrane may be reduced.

その他にも、スルホン化ポリイミド系、ポリスルホン系、ポリ(エーテルエーテルケトン)系、ポリベンズイミダゾール系(PBI)などより選択される一つ以上の高分子を粒子化して使用することができる。   In addition, one or more polymers selected from sulfonated polyimide, polysulfone, poly (ether ether ketone), polybenzimidazole (PBI), and the like can be used in the form of particles.

また、プロトン伝導性高分子ナノ粒子としてブロック共重合体を使用することもできる。前記ブロック共重合体は、親水性モノマーと疎水性モノマーをS−ブロック(S−block)とF−ブロック(F−block)に使用し、これらを共重合させて、バイブロック(S−F形態)又はトリブロック(S−F−S又はF−S−F形態)形態のブロック共重合体ナノ粒子を合成し、この共重合体をスルホン化して得られる。前記ブロック共重合体の製造過程で、外のブロックの性質が同一であるように製造されるので、製造される共重合体が鎖と共に巻かれるようになり、ポリマー鎖がループになってナノ粒子が製造されることである。前記親水性モノマーとしては、−CHCHO−単位を有するポリエチレンオキサイド、−CHC(CH)CHO−単位を有するポリプロピレンオキシド、−CHC(ph)H−(ここで、phはフェニル基)単位を有するポリスチレンスルホン酸(PSSA)を使用することができ、前記疎水性モノマーとしては、−CHC(CN)H−単位を有するポリビニルピロリドン、−COCRHNH−単位を有するポリアセトアミンを使用することができる。 Moreover, a block copolymer can also be used as proton conductive polymer nanoparticles. In the block copolymer, a hydrophilic monomer and a hydrophobic monomer are used in an S-block and an F-block, and these are copolymerized to form a biblock (SF form). ) Or triblock (SFS or FSF form) block copolymer nanoparticles are synthesized, and the copolymer is obtained by sulfonation. Since the block copolymer is manufactured so that the properties of the outer blocks are the same, the manufactured copolymer is wound together with the chain, and the polymer chain is looped to form nanoparticles. Is to be manufactured. Examples of the hydrophilic monomer include polyethylene oxide having a —CH 2 CH 2 O— unit, polypropylene oxide having a —CH 2 C (CH 3 ) CHO— unit, —CH 2 C (ph) H— (where ph Polystyrene sulfonic acid (PSSA) having a phenyl group) unit can be used, and as the hydrophobic monomer, polyvinylpyrrolidone having a —CH 2 C (C 5 H 4 N) H unit, —COCRHNH-unit Polyacetoamines having the following can be used:

本発明の高分子電解質膜は、また、有機及び無機添加物をさらに含むこともできる。前記有機及び無機添加物は、微細粉末形態の親水性無機イオン伝導体として、高分子電解質膜が100℃以上の温度で作動する場合、水分が蒸発して、水素イオン伝導性が低下される現象を防止することができる。   The polymer electrolyte membrane of the present invention may further contain organic and inorganic additives. The organic and inorganic additives are fine inorganic powders in the form of a fine powder, and when the polymer electrolyte membrane operates at a temperature of 100 ° C. or higher, moisture is evaporated and hydrogen ion conductivity is reduced. Can be prevented.

前記有機及び無機添加物は、約10乃至500nm直径の粉末形態で前記高分子電解質膜内に分散することにより、水素イオンの移動サイト(site)及び/又は保湿サイトを増大させる。前記有機及び無機添加物の添加量は、高分子電解質膜全体の100重量部に対して0.5乃至3重量部が好ましい。有機及び無機添加物の添加量が高分子電解質膜全体の100重量部に対して0.5重量部未満であると効果が微々たるものであり、3重量部を超えると、機械的強度を低下させるので好ましくない。   The organic and inorganic additives are dispersed in the polymer electrolyte membrane in the form of a powder having a diameter of about 10 to 500 nm, thereby increasing hydrogen ion migration sites and / or moisturizing sites. The addition amount of the organic and inorganic additives is preferably 0.5 to 3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the entire polymer electrolyte membrane. If the amount of organic and inorganic additives added is less than 0.5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the entire polymer electrolyte membrane, the effect is insignificant. If it exceeds 3 parts by weight, the mechanical strength is reduced. This is not preferable.

前記無機イオン伝導体、つまり、水素イオン伝導体としては、リンタングステン酸、ケイ素タングステン酸、リン酸水素ジルコニウム、α-Zr(Oa1PCHa2OH)(Ob1PCb2b4SOb5H)・nHO、ν-Zr(POa1)(Ha2POa3(HOb1PCb2b3SOb4H)・nHO、Zr(Oa1PCa2a3、Zr(Oa1PCHa2OH)・nHO、α-Zr(Oa1PCa2a3SOa4H)・nHO、α-Zr(Oa1POH)・HO、(P(ZrOガラス、及びP-ZrO-SiOガラスからなる群より選択される一つ又は一つ以上の混合物が好ましい。上記の式で、a1、a2、a3、a4、a、b1、b2、b3、b4、b5、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。 Examples of the inorganic ion conductor, that is, hydrogen ion conductor, include phosphotungstic acid, silicon tungstic acid, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O, ν-Zr (PO a1 ) (H a2 PO a3 ) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b · nH 2 O, Zr (O a1 PC a2 H a3 ) a Y b , Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O, α-Zr (O a1 PC a2 H a3 SO a4 H) a · nH 2 O, α-Zr (O a1 POH) · H 2 O, ( One or more mixtures selected from the group consisting of P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b glass and P 2 O 5 —ZrO 2 —SiO 2 glass are preferred. In the above formula, a1, a2, a3, a4, a, b1, b2, b3, b4, b5, and b are the same or independently an integer of 0 to 14, and n is 0 to An integer of 50.

又は、前記水素イオン伝導体を、当該分野に知られた工程によって支持体に担持させて使用することもできる。この時、支持体の使用によって、水素イオン伝導体の陽イオン交換樹脂及び無機添加物の追加的な機械的物性の向上を期待することができる。   Alternatively, the hydrogen ion conductor can be used by being supported on a support by a process known in the art. At this time, the use of the support can be expected to improve the mechanical properties of the cation exchange resin and inorganic additive of the hydrogen ion conductor.

前記支持体としては、シリカ(fumed silica、商品名:Aerosil,Cabo−silなど)、クレイ、アルミナ、マイカ又はゼオライト(商品名:SAPO−5、XSM−5、AIPO−5、VPI−5、及びMCM−41など)を使用することができる。前記クレイとしては、モンモリロナイト、サポナイト、ヘクトライト、ラポナイト又はテトラシリシンマイカが挙げられる。   Examples of the support include silica (fumed silica, trade name: Aerosil, Cabo-sil, etc.), clay, alumina, mica or zeolite (trade names: SAPO-5, XSM-5, AIPO-5, VPI-5, and MCM-41 etc.) can be used. Examples of the clay include montmorillonite, saponite, hectorite, laponite, and tetrasilicin mica.

本発明の高分子電解質膜を含む燃料電池システムは、少なくとも一つの電気発生部、燃料供給部、及び酸化剤供給部を含む。   The fuel cell system including the polymer electrolyte membrane of the present invention includes at least one electricity generation unit, a fuel supply unit, and an oxidant supply unit.

前記電気発生部は、高分子電解質膜、この高分子電解質膜の両面に存在するカソード及びアノード電極、セパレータ(二極式プレートとも言う)を含み、燃料と酸化剤の電気化学的な反応を通じて電気を発生させる役割を果たす。   The electricity generating unit includes a polymer electrolyte membrane, cathode and anode electrodes and separators (also referred to as bipolar plates) existing on both sides of the polymer electrolyte membrane, and the electricity is generated through an electrochemical reaction between the fuel and the oxidant. It plays a role to generate.

前記カソード電極及びアノード電極は、電極基材と触媒層を含む。   The cathode electrode and the anode electrode include an electrode base material and a catalyst layer.

前記触媒層は、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、及び白金−M合金(Mは、Ga、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo、W、Rh、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される1種以上の遷移金属)からなる群より選択される1種以上の触媒を含むのが好ましい。このように、アノード電極とカソード電極は同一物質を用いても差し支えないが、直接酸化燃料電池では、アノード電極反応中で発生するCOによる触媒被毒現象が発生することにより、これを防止するためには白金−ルテニウム合金触媒が、アノード電極触媒としてはより好ましい。より好ましくは、Pt、Pt/Ru、Pt/W、Pt/Ni、Pt/Sn、Pt/Mo、Pt/Pd、Pt/Fe、Pt/Cr、Pt/Co、Pt/Ru/W、Pt/Ru/Mo、Pt/Ru/V、Pt/Fe/Co、Pt/Ru/Rh/Ni、及びPt/Ru/Sn/Wからなる群より選択される1種以上のものを使用することができる。   The catalyst layer comprises platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni It is preferable to include one or more catalysts selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and one or more transition metals selected from the group consisting of combinations thereof. As described above, the same material may be used for the anode electrode and the cathode electrode. However, in the direct oxidation fuel cell, a catalyst poisoning phenomenon caused by CO generated during the anode electrode reaction occurs, so that this can be prevented. A platinum-ruthenium alloy catalyst is more preferable as the anode electrode catalyst. More preferably, Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / One or more selected from the group consisting of Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used. .

また、このような金属触媒は、金属触媒自体(black)に用いることもでき、担体に担持させて使用することもできる。この担体としては、アセチレンブラック、デンカブラック、活性炭素、ケッチェンブラック、黒鉛のような炭素を使用することもでき、又はアルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニアなどの無機物微粒子を使用することもできるが、一般的に炭素が幅広く使用されている。   Moreover, such a metal catalyst can be used for the metal catalyst itself (black), or can be used by being supported on a carrier. As this carrier, carbon such as acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite can be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia, etc. can be used. In general, carbon is widely used.

前記触媒層は、前記触媒、バインダー、及び溶媒を含む組成物を前記電極基材に塗布して形成される。前記触媒、バインダー、及び溶媒の混合比率は、所望の目的によって適切に調節すれば良い。   The catalyst layer is formed by applying a composition containing the catalyst, a binder, and a solvent to the electrode substrate. The mixing ratio of the catalyst, binder, and solvent may be appropriately adjusted depending on the desired purpose.

前記バインダーはイオノマーの役割も果たすものを用いることができ、その例としては、ペルフルオロスルホネートなどのフルオロ系高分子、ポリアミド系高分子、ポリエーテル系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子、ポリエーテル−エーテルケトン系高分子又はポリフェニルキノキサリン系高分子などの水素イオン伝導性高分子を1種以上使用することができる。前記水素イオン伝導性高分子は、側鎖末端のイオン交換基で、HをNa、K、Li、Cs又はテトラブチルアンモニウムに置換することもできる。側鎖末端のイオン交換基でHをNaに置換する場合には、触媒組成物製造時NaOHを、テトラブチルアンモニウムを使用する場合には、テトラブチルアンモニウムヒドロキシドを使用して置換し、K、Li又はCsも適切な化合物を使用して置換することができる。この置換方法は当該分野に広く知られた内容であるので、本明細書で詳しい説明は省略する。   As the binder, those that also serve as ionomers can be used. Examples thereof include fluoropolymers such as perfluorosulfonate, polyamide polymers, polyether polymers, benzimidazole polymers, and polyimide polymers. , Polyetherimide polymer, polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyethersulfone polymer, polyetherketone polymer, polyether-etherketone polymer, polyphenylquinoxaline polymer, etc. One or more hydrogen ion conductive polymers can be used. In the hydrogen ion conductive polymer, H can be replaced with Na, K, Li, Cs, or tetrabutylammonium at the ion exchange group at the end of the side chain. When replacing H with Na by the ion exchange group at the end of the side chain, when replacing the catalyst composition with NaOH, when using tetrabutylammonium, replace with tetrabutylammonium hydroxide, Li or Cs can also be substituted using a suitable compound. Since this replacement method is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted in this specification.

前記バインダー樹脂は単一物又は混合物形態に使用可能であり、また、選択的に高分子電解質膜との接着力をより向上させる目的で、非伝導性高分子と一緒に使用されることもできる。その使用量は、使用目的に適合するように調節して使用するのが好ましい。   The binder resin can be used in the form of a single substance or a mixture, and can also be used together with a non-conductive polymer for the purpose of selectively improving the adhesive force with the polymer electrolyte membrane. . The amount used is preferably adjusted to suit the purpose of use.

前記非伝導性高分子としては、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体エチレン/テトラフルオロエチレン、三フッ化塩化エチレン−エチレン共重合体、フッ化ポリビニリデン、及びフッ化ポリビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンのコポリマーからなる群より選択された1種以上のものを使用することができる。   Examples of the non-conductive polymer include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer ethylene / tetrafluoroethylene, and trifluoroethylene chloride-ethylene copolymer. One or more selected from the group consisting of a coalescence, polyvinylidene fluoride, and a copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene can be used.

前記溶媒としては、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールのようなアルコール、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、アセトン又はこれらの混合物を使用することができる。   As the solvent, water, alcohol such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, tetrahydrofuran, acetone, or a mixture thereof can be used.

前記電極基材は電極を支持する役割を果たしながら、触媒層に燃料及び酸化剤を拡散させて、触媒層に燃料及び酸化剤が容易に接近できるようにする役割を果たす。前記電極基材としては導電性基材を使用し、その代表的な例として、炭素紙、炭素布、炭素フェルト又は金属布(繊維状態の金属布で構成された多孔性のフィルム又は高分子繊維で形成された布の表面に金属フィルムが形成されたもの(metalized polymer fiber)を言う)を用いることができるが、これに限定されるわけではない。   The electrode base material plays a role of supporting the electrode, and diffuses fuel and oxidant in the catalyst layer so that the fuel and oxidant can easily approach the catalyst layer. A conductive base material is used as the electrode base material, and typical examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (a porous film or polymer fiber made of a metal cloth in a fiber state). In this case, a metal film formed on the surface of the fabric formed in (1) may be used, but the present invention is not limited to this.

また、前記電極基材は、フッ素系樹脂で撥水処理したものを使用するのが、燃料電池の駆動時に発生する水による反応物拡散効率の低下を防止できるので好ましい。前記フッ素系樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレン、ポリ三フッ化塩化エチレン、フルオロエチレンポリマーなどが用いられる。   In addition, it is preferable to use the electrode base material that has been subjected to a water repellent treatment with a fluorine-based resin, since it is possible to prevent a reduction in reactant diffusion efficiency due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluororesin include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polytrifluoroethylene chloride, and fluoroethylene polymer.

また、前記電極基材での反応物拡散効果を増進させるための微細気孔層をさらに含むこともできる。この微細気孔層は、一般的に、粒径が小さい導電性粉末、例えば、炭素粉末、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭素、カーボンファイバー、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、カーボンナノホーン又はカーボンナノ環を含むことができる。前記微細気孔層は、導電性粉末、バインダー樹脂、及び溶媒を含む組成物を前記電極基材にコーティングして製造される。前記バインダー樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン、ポリビニルアルコール、セルロースアセテートなどが好ましく用いられ、前記溶媒としては、エタノール、イソプロピルアルコール、n−プロピルアルコール、ブチルアルコールなどのアルコール、水、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチルピロリドンなどが好ましく用いられる。コーティング工程は、組成物の粘性によりスクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法又はドクターブレードを利用したコーティング法などが用いられることができ、これに限定されるわけではない。   Further, it may further include a microporous layer for enhancing the reactant diffusion effect in the electrode substrate. This microporous layer is generally a conductive powder having a small particle size, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanohorn or carbon nanoring. Can be included. The microporous layer is manufactured by coating the electrode substrate with a composition containing conductive powder, a binder resin, and a solvent. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate and the like are preferably used, and as the solvent, ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, alcohol such as butyl alcohol, water, Dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like are preferably used. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method, or a coating method using a doctor blade depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

前記燃料供給部は、燃料を前記電気発生部に供給する役割を果たし、前記酸化剤供給部は、酸素又は空気のような酸化剤を前記電気発生部に供給する役割を果たす。本発明で、燃料としては、気体又は液体状態のメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、天然ガスのような炭化水素燃料を意味する。もちろん、水素を使用することもできる。   The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit. In the present invention, the fuel means a hydrocarbon fuel such as methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas in a gas or liquid state. Of course, hydrogen can also be used.

本発明の燃料電池システムの概略的な構造を図2に示したが、これを参照してより詳細に説明する。図2には、酸化剤をポンプを使用して電気発生部に供給するシステムを示したが、本発明の燃料電池システムがこのような構造に限定されるわけではなく、ポンプを使用せずに、拡散方式で酸化剤を供給する燃料電池システム構造に使用できることは当然のことである。   The schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 2 and will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 2 shows a system for supplying an oxidant to an electricity generator using a pump. However, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and the pump is not used. Naturally, it can be used for a fuel cell system structure for supplying an oxidant in a diffusion manner.

本発明の燃料電池システム1は、燃料の酸化反応と酸化剤の還元反応を通じて電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部3と、前記燃料を供給する燃料供給部5と、酸化剤を前記電気発生部3に供給する酸化剤供給部7とを含んで構成される。   The fuel cell system 1 according to the present invention includes at least one electricity generation unit 3 that generates electric energy through a fuel oxidation reaction and an oxidant reduction reaction, a fuel supply unit 5 that supplies the fuel, and an oxidant that is used as the electricity. An oxidant supply unit 7 that supplies the generation unit 3 is included.

また、前記燃料を供給する燃料供給部5は、燃料を貯蔵する燃料タンク9、燃料タンク9に連結設置される燃料ポンプ11を備えることができる。前記燃料ポンプ11は、所定のポンピング力によって、燃料タンク9に貯蔵された燃料を排出させる機能をする。   The fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 for storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 functions to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 with a predetermined pumping force.

前記電気発生部3に酸化剤を供給する酸化剤供給部7は、所定のポンピング力で酸化剤を吸入する少なくとも一つの酸化剤ポンプ13を備える。   The oxidant supply unit 7 that supplies the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 that sucks the oxidant with a predetermined pumping force.

前記電気発生部3は、燃料と酸化剤を酸化及び還元反応させる電極接合体17と、この電極接合体の両側に燃料と酸化剤を供給するためのセパレータ19、19’とで構成され、このような電気発生部17が少なくとも一つ集まって、スタック15を構成する。   The electricity generating unit 3 includes an electrode assembly 17 that oxidizes and reduces a fuel and an oxidant, and separators 19 and 19 ′ for supplying fuel and an oxidant to both sides of the electrode assembly. At least one such electricity generator 17 gathers to form a stack 15.

以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例のみであり、本発明が下記の実施例によって限定されるわけではない。   Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following embodiment is only a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施例1)
商業的に市販される20質量%のナフィオン(登録商標)/HO(E.I. Dupont de Nemour、EW=1,100:化学式2で、X=H、mは1、nは2,xは約5乃至13.5、そしてyは1,000以上である)100nmのプロトン伝導性高分子ナノ粒子分散液60gを、0.82gのNaOH及び9gのポリエチレングリコールジアクリレート(Aldrich、MW=742、化学式1で、p=14)オリゴマーと常温で6時間機械的に攪拌した後、この混合物にクロロベンゾフェノン0.9gを添加し、5分間の追加的に攪拌してガラス板の上に塗布し、1kVの紫外線を照射して高分子電解質膜を製造した。
Example 1
Commercially available 20% by weight Nafion® / H 2 O (EI Dupont de Nemour, EW = 1,100: Formula 2, X = H, m is 1, n is 2, (x is about 5 to 13.5, and y is 1,000 or more) 60 g of a proton conductive polymer nanoparticle dispersion of 100 nm was added to 0.82 g of NaOH and 9 g of polyethylene glycol diacrylate (Aldrich, MW = 742, chemical formula 1, p = 14) After mechanically stirring the oligomer with the oligomer for 6 hours at room temperature, 0.9 g of chlorobenzophenone was added to the mixture, and the mixture was additionally stirred for 5 minutes and coated on the glass plate. Then, a polymer electrolyte membrane was produced by irradiating with 1 kV ultraviolet rays.

5質量%のナフィオン(登録商標)/HO/2−プロパノール溶液、1Mのテトラブチルアンモニウムヒドロキシド/メタノールジプロピレングリコール、及び脱イオン水を、Pt−Ruブラック(担体に担持されない触媒をいう、Johnson Matthey, HiSpec 6000)及びPtブラック(Johnson Matthey, HiSpec 1000)粒子と各々混合して触媒スラリーを製造した後、テフロン(登録商標)フィルム上にスクリーンプリンティングして乾燥し、触媒層を前記製造された高分子電解質膜上に各々位置させた後、200℃で500psiの圧力で3分間熱圧着して、高分子電解質膜上に各々4mg/cmのローディング量になるように、カソード及びアノード電極を結着した。この時、触媒層内のナフィオン(登録商標)含有量は、触媒質量対比15質量%に調節した。前記3−層膜電極接合体を、SGL Carbon社の31BC電極基材(拡散体:diffusion layer)と結合して、5−layer電極接合体(MEA)を製造した。 5% by weight of Nafion® / H 2 O / 2-propanol solution, 1M tetrabutylammonium hydroxide / methanol dipropylene glycol, and deionized water were added to Pt-Ru black (referred to as a catalyst not supported on a carrier). , Johnson Matthey, HiSpec 6000) and Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 1000) particles were mixed to produce a catalyst slurry, followed by screen printing on a Teflon (registered trademark) film and drying to prepare the catalyst layer. Each of the cathode and anode was placed on the polymer electrolyte membrane and then thermocompression bonded at 200 ° C. under a pressure of 500 psi for 3 minutes so that the loading amount was 4 mg / cm 2 on the polymer electrolyte membrane. The electrode was bound. At this time, the Nafion (registered trademark) content in the catalyst layer was adjusted to 15% by mass relative to the catalyst mass. The 3-layer membrane electrode assembly was combined with a 31BC electrode substrate (diffusion layer) manufactured by SGL Carbon to produce a 5-layer electrode assembly (MEA).

前記製造されたMEAを、ポリテトラフルオロエチレンがコーティングされたガラス繊維ガスケットの間に挿入した後、一定の形状の気体流路チャンネルと冷却チャンネルが形成された2個のセパレータに挿入した後、銅エンドプレートの間でプレスして、単位電池を製造し、メタノールと質素を流入した状態で、メタノールクロスオーバ電流を測定し、メタノールと空気を流入した状態で、電池温度とメタノール濃度による単位電池の出力変化を測定した。   The manufactured MEA is inserted between glass fiber gaskets coated with polytetrafluoroethylene, and then inserted into two separators each having a gas flow channel and a cooling channel having a certain shape, and then copper. A unit cell is manufactured by pressing between end plates, and methanol crossover current is measured in a state in which methanol and elementary substances are introduced. The output change was measured.

(比較例1)
商業用ナフィオン(登録商標)115膜(125μm)を、各々100℃の3%過酸化水素、0.5M硫酸水溶液で1時間処理した後、100℃の脱イオン水で1時間洗浄して、高分子電解質膜を製造した。
(Comparative Example 1)
A commercial Nafion (registered trademark) 115 membrane (125 μm) was treated with 3% hydrogen peroxide and 0.5 M aqueous sulfuric acid at 100 ° C. for 1 hour, and then washed with deionized water at 100 ° C. for 1 hour. A molecular electrolyte membrane was manufactured.

(比較例2)
商業的に市販されるGore−Select膜(25μm)を、比較例1と同一な方法で前処理して、高分子電解質膜を製造した。
(Comparative Example 2)
A commercially available Gore-Select membrane (25 μm) was pretreated by the same method as in Comparative Example 1 to produce a polymer electrolyte membrane.

(比較例3)
5質量%の商業用ナフィオン(登録商標)/HO/2−プロパノール(Solution Technology Inc.、EW=1,100)溶液100gを常温で48時間攪拌しながら溶媒を増発させて、約5gのナフィオン(登録商標)ゲルを製造した後、ジメチルアセトアミド95gを添加して、約5質量%のナフィオン(登録商標)/ジメチルアセトアミド溶液を製造した。この溶液を、60℃の水湯煎によって24時間予熱して、残存する水分を蒸発させた。
(Comparative Example 3)
While stirring 100 g of a 5% by mass commercial Nafion® / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc., EW = 1,100) solution at room temperature for 48 hours, the solvent was increased. After preparing the Nafion® gel, 95 g of dimethylacetamide was added to prepare an approximately 5% by weight Nafion® / dimethylacetamide solution. This solution was preheated in a 60 ° C. water bath for 24 hours to evaporate the remaining water.

これとは別途に、5gのポリフッ化ビニリデン(Elf Atochem America, Inc., Kynar Flex 761)を95gのジメチルアセトアミドに溶解して、5質量%のポリフッ化ビニリデン/ジメチルアセトアミド溶液を製造した後、このポリフッ化ビニリデン/ジメチルアセトアミド溶液20gを、製造された5質量%のナフィオン(登録商標)/ジメチルアセトアミド溶液50gと混合した。   Separately, 5 g of polyvinylidene fluoride (Elf Atochem America, Inc., Kynar Flex 761) was dissolved in 95 g of dimethylacetamide to prepare a 5 mass% polyvinylidene fluoride / dimethylacetamide solution. 20 g of the polyvinylidene fluoride / dimethylacetamide solution was mixed with 50 g of the 5% by weight Nafion® / dimethylacetamide solution prepared.

前記のように製造された混合液にポリエチレングリコールジアクリレート(Aldrich、MW=742)1gを添加し、50℃で10分間激しく攪拌した。その後、この混合物に0.03gのベンゾイルペルオキシドを添加して、10分間また激しく攪拌した後、ポリテトラフルオロエチレン表面上にドクターブレードを使用して、塗布した。   1 g of polyethylene glycol diacrylate (Aldrich, MW = 742) was added to the mixture prepared as described above, and the mixture was vigorously stirred at 50 ° C. for 10 minutes. Thereafter, 0.03 g of benzoyl peroxide was added to the mixture, and the mixture was vigorously stirred for 10 minutes and then applied onto the polytetrafluoroethylene surface using a doctor blade.

前記フィルムを、約100℃に維持されたオーブン内で12時間加熱して、30μmの厚さを有する複合高分子電解質膜を製造した。   The film was heated in an oven maintained at about 100 ° C. for 12 hours to produce a composite polymer electrolyte membrane having a thickness of 30 μm.

前記実施例1及び比較例1乃至3により製造された電解質膜のイオンの伝導度は、BekkTech社の伝導度測定用セルを使用して、温度と相対湿度変化によるインピーダンス測定を通じて求めて、その結果を下記表1に示した。   The conductivity of the ions of the electrolyte membranes manufactured according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was obtained through impedance measurement using temperature and relative humidity changes using a conductivity measuring cell manufactured by BekkTech, and the result. Is shown in Table 1 below.

前記実施例1及び比較例1乃至3により製造された電解質膜のメタノール透過度は、2−区画拡散セルの中央に電解質膜試料を位置させ、両端に、15質量%のメタノール/脱イオン水混合液体と脱イオン水を各々循環させた場合、電解質膜を透過したメタノールの濃度を屈折率変化で測定した。電解質膜の面積変化は、5×5cmの電解質膜が常温で水分によって膨潤して増加された面積の増加率を示したものである。その結果を下記表1に示した。 The methanol permeability of the electrolyte membranes manufactured according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was determined by placing the electrolyte membrane sample in the center of the two-compartment diffusion cell and mixing 15% by mass of methanol / deionized water at both ends. When liquid and deionized water were circulated, the concentration of methanol that permeated the electrolyte membrane was measured by the change in refractive index. The change in the area of the electrolyte membrane indicates the increase rate of the area increased by swelling the 5 × 5 cm 2 electrolyte membrane with moisture at room temperature. The results are shown in Table 1 below.

前記表1に示したように、実施例1の高分子電解質膜は、比較例1の純粋なナフィオン(登録商標)膜と比較した場合、イオンの伝導度の低下が発生したが、機械的強性の補強により薄膜化が可能であるので、厚さによる電解質膜の伝導度(S/cm)は比較例1に比べて向上した。また、比較例1の純粋なナフィオン(登録商標)膜に比べて、寸法安定性とメタノールに対する遮断性が優れていることが確認され、70℃で運転時、同一条件で単位電池出力密度も対等な結果を得た。同時に、実施例1の高分子電解質膜は、紫外線照射によってオリゴマーを架橋させて、電解質マトリックスの形成を数秒内に実施することもできるので、量産性も向上した。 As shown in Table 1, when the polymer electrolyte membrane of Example 1 was compared with the pure Nafion (registered trademark) membrane of Comparative Example 1, the ionic conductivity decreased, but the mechanical strength was high. Therefore, the conductivity (S / cm 2 ) of the electrolyte membrane depending on the thickness was improved as compared with Comparative Example 1. In addition, compared with the pure Nafion (registered trademark) membrane of Comparative Example 1, it was confirmed that the dimensional stability and the barrier property against methanol were excellent, and the unit cell output density was comparable under the same conditions when operated at 70 ° C. Results were obtained. At the same time, in the polymer electrolyte membrane of Example 1, the oligomer was cross-linked by ultraviolet irradiation, and the formation of the electrolyte matrix could be carried out within a few seconds, so that the mass productivity was improved.

また、実施例1の高分子電解質膜は、強化複合膜の比較例2に比べて対等な寸法安定性を示し、過剰のメタノール透過が発生する比較例2に比べてメタノール透過度が低く、また、70℃で運転時、単位電池出力密度が遥かに優れていることが分かる。   In addition, the polymer electrolyte membrane of Example 1 shows comparable dimensional stability as compared with Comparative Example 2 of the reinforced composite membrane, and has a lower methanol permeability than Comparative Example 2 in which excessive methanol permeation occurs. It can be seen that the unit cell output density is much better when operated at 70 ° C.

同時に、実施例1の高分子電解質膜は、比較例3に比べて寸法安定性に優れており、メタノール透過度が低く、また、70℃で運転時、単位電池出力密度が遥かに優れていることが分かる。   At the same time, the polymer electrolyte membrane of Example 1 is superior in dimensional stability compared to Comparative Example 3, has a low methanol permeability, and has a much better unit cell output density when operated at 70 ° C. I understand that.

図3Aと図3Bは、各々、実施例1及び比較例3による高分子電解質膜の断面を示したSEM写真である。図3Aと図3Bに示したように、実施例1による高分子電解質膜の断面を見れば、比較例1に比べて均一な大きさの粒子分布を有するナノサイズのプロトン伝導性高分子ナノ粒子を使用するので、遥かに均一な断面形状を有することが分かる。   3A and 3B are SEM photographs showing cross sections of the polymer electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 3, respectively. As shown in FIGS. 3A and 3B, when the cross section of the polymer electrolyte membrane according to Example 1 is seen, nano-sized proton conductive polymer nanoparticles having a uniform particle size distribution as compared with Comparative Example 1 It can be seen that it has a much more uniform cross-sectional shape.

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属する。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications may be made within the scope of the claims, the detailed description of the invention and the attached drawings. This is also within the scope of the present invention.

本発明の高分子電解質膜を製造する工程を概略的に示した図である。It is the figure which showed roughly the process of manufacturing the polymer electrolyte membrane of this invention. 本発明の燃料電池システムを概略的に示した図である。It is the figure which showed the fuel cell system of this invention roughly. 各々、実施例1及び比較例3による高分子電解質膜の断面を示したSEM写真である。4 is SEM photographs showing cross sections of polymer electrolyte membranes according to Example 1 and Comparative Example 3, respectively. 各々、実施例1及び比較例3による高分子電解質膜の断面を示したSEM写真である。4 is SEM photographs showing cross sections of polymer electrolyte membranes according to Example 1 and Comparative Example 3, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
3、17 電気発生部
5 燃料供給部
7 酸化剤供給部
9 燃料タンク
11 燃料ポンプ
13 酸化剤ポンプ
15 スタック
19、19’ セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 3, 17 Electricity generation part 5 Fuel supply part 7 Oxidant supply part 9 Fuel tank 11 Fuel pump 13 Oxidant pump 15 Stack 19, 19 'Separator

Claims (32)

硬化型オリゴマーが架橋された高分子マトリックス;及び
前記高分子マトリックス内に存在するナノサイズのプロトン伝導性高分子ナノ粒子;
を含む燃料電池用高分子電解質膜。
A polymer matrix cross-linked with a curable oligomer; and nano-sized proton conducting polymer nanoparticles present in the polymer matrix;
A fuel cell polymer electrolyte membrane.
前記硬化型オリゴマーは、鎖の両末端に各々1個の不飽和官能基を有するオリゴマーである、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the curable oligomer is an oligomer having one unsaturated functional group at both ends of the chain. 前記硬化型オリゴマーは、エチレンオキシドを3乃至14個有する下記の化学式1のオリゴマーである、請求項2に記載の燃料電池用高分子電解質膜。
[化1]
CR=CRCOO(CHCHO)pCOCH=CR
(前記化学式1で、R、R、及びRは、水素原子又は炭素数1乃至12のアルキル鎖であり、この時、R乃至Rは互いに同一であるか又は相違することができ、pは3乃至14の整数である。)
The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 2, wherein the curable oligomer is an oligomer of the following chemical formula 1 having 3 to 14 ethylene oxides.
[Chemical 1]
CR 1 R 2 = CR 3 COO (CH 2 CH 2 O) pCOCH = CR 1 R 2
(In Formula 1, R 1 , R 2 , and R 3 are a hydrogen atom or an alkyl chain having 1 to 12 carbon atoms, and at this time, R 1 to R 3 may be the same as or different from each other. And p is an integer from 3 to 14.)
前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して10乃至90質量%である、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the content of the curable oligomer is 10 to 90 mass% with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して20乃至80質量%である、請求項4に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 4, wherein the content of the curable oligomer is 20 to 80% by mass with respect to the mass of the whole polymer electrolyte membrane. 前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して30乃至70質量%である、請求項5に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 5, wherein the content of the curable oligomer is 30 to 70 mass% with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、フッ素系、非フッ素系、及び炭化水素系プロトン伝導性高分子ナノ粒子からなる群より選択される、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the proton conductive polymer is selected from the group consisting of fluorine-based, non-fluorine-based, and hydrocarbon-based proton conductive polymer nanoparticles. 前記フッ素系プロトン伝導性高分子は、側鎖にスルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホン酸基、及びこれらの誘導体からなる群より選択される陽イオン交換基を有する、請求項7に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The fluorine-based proton conductive polymer has a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in a side chain. The polymer electrolyte membrane for fuel cells as described. 前記フッ素系プロトン伝導性高分子は、イオン交換比が3乃至33であり、当量重量が500乃至2,000である、請求項7に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 7, wherein the fluorine-based proton conductive polymer has an ion exchange ratio of 3 to 33 and an equivalent weight of 500 to 2,000. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して10乃至90質量%である、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the proton conductive polymer is 10 to 90 mass% with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して20乃至80質量%である、請求項10に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 10, wherein the proton conductive polymer is 20 to 80% by mass with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して30乃至70質量%である、請求項11に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 11, wherein the proton conductive polymer is 30 to 70 mass% with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、親水性モノマーと疎水性モノマーを共重合して、バイブロック又はトリブロック形態の共重合体を製造し、前記共重合体をスルホン化して製造されたものである、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The proton conductive polymer is produced by copolymerizing a hydrophilic monomer and a hydrophobic monomer to produce a biblock or triblock copolymer, and sulfonating the copolymer. The polymer electrolyte membrane for fuel cells according to claim 1. 前記高分子電解質膜は有機及び無機添加物をさらに含む、請求項1に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 1, wherein the polymer electrolyte membrane further comprises organic and inorganic additives. 前記有機及び無機添加物は親水性無機イオン伝導体である、請求項14に記載の燃料電池用高分子電解質膜。   The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to claim 14, wherein the organic and inorganic additives are hydrophilic inorganic ion conductors. 前記無機イオン伝導体は、リンタングステン酸、ケイ素タングステン酸、リン酸水素ジルコニウム、α−Zr(Oa1PCHa2OH)(Ob1PCb2b4SOb5H)b・nHO(ここで、a1、a2、a、b1、b2、b4、b5、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、ν−Zr(POa1)(Ha2POa3(HOb1PCb2b3SOb4H)・nHO(ここで、a1、a2、a3、a、b1、b2、b3、b4、b5、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、Zr(Oa1PCa2a3(ここで、a1、a2、a3、a、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数である。)、Zr(Oa1PCHa2OH)・nHO(ここで、a1、a2、a、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、α−Zr(Oa1PCa2a3SOa4H)・nHO(ここで、a1、a2、a3、a4、及びaは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、α−Zr(Oa1POH)・HO(ここで、a1は0乃至14の整数である。)、(P(ZrOガラス(ここで、a及びbは01乃至14の整数である。)、並びにP−ZrO−SiOガラスからなる群より選択される一つ及び一つ以上の混合物からなる群より選択されるものである、請求項15に記載の燃料電池用高分子膜。 The inorganic ion conductor includes phosphotungstic acid, silicon tungstic acid, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (where , A1, a2, a, b1, b2, b4, b5, and b are the same or independently an integer from 0 to 14, and n is an integer from 0 to 50), ν−. Zr (PO a1 ) (H a2 PO a3 ) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b · nH 2 O (where a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4, b5, And b are the same or independently an integer of 0 to 14, and n is an integer of 0 to 50.), Zr (O a1 PC a2 H a3 ) a Y b (where a1 , A2, a3, a, and b are Are the same or independently an integer of 0 to 14), Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O (where a1, a2, a, and b are the same) Or an integer of 0 to 14 and n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 PC a2 Ha a3 SO a4 H) a · nH 2 O (where, a1, a2, a3, a4, and a are the same or independently an integer of 0 to 14 and n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 POH). H 2 O (where a1 is an integer from 0 to 14), (P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b glass (where a and b are integers from 01 to 14), and one and is selected from the group consisting of P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 glass One or more of those selected from the group consisting of a mixture, the polymer membrane for a fuel cell according to claim 15. 互いに対向して位置したアノード電極及びカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極の間に位置する高分子電解質膜とを含む少なくとも一つの電極接合体及びセパレータを含み、燃料と酸化剤の電気化学的反応を通じて電気を生成させる少なくとも一つの電気発生部;
燃料を前記電気発生部に供給する燃料供給部;及び
酸化剤を前記電気発生部に供給する酸化剤供給部;を含み、
前記高分子電解質膜は、
硬化型オリゴマーが架橋された高分子マトリックス;及び
前記高分子マトリックス内に存在するナノサイズのプロトン伝導性高分子;を含む、燃料電池システム。
An anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. At least one electricity generating part that generates electricity through a chemical reaction;
A fuel supply unit that supplies fuel to the electricity generation unit; and an oxidant supply unit that supplies oxidant to the electricity generation unit;
The polymer electrolyte membrane is
A fuel cell system comprising: a polymer matrix in which a curable oligomer is crosslinked; and a nano-sized proton conducting polymer present in the polymer matrix.
前記硬化型オリゴマーは、鎖の両末端に各々1個の不飽和官能基を有するオリゴマーである、請求項17に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 17, wherein the curable oligomer is an oligomer having one unsaturated functional group at both ends of the chain. 前記硬化型オリゴマーは、エチレンオキシドを3乃至14個有する下記の化学式1のオリゴマーである、請求項18に記載の燃料電池システム。
[化1]
CR=CRCOO(CHCHO)pCOCH=CR
(前記化学式1で、R、R、及びRは、水素原子又は炭素数1乃至12のアルキル鎖であり、この時、R乃至Rは、互いに同一であるか又は相違することができ、pは3乃至14の整数である。)
The fuel cell system according to claim 18, wherein the curable oligomer is an oligomer of the following chemical formula 1 having 3 to 14 ethylene oxides.
[Chemical 1]
CR 1 R 2 = CR 3 COO (CH 2 CH 2 O) pCOCH = CR 1 R 2
(In Formula 1, R 1 , R 2 , and R 3 are hydrogen atoms or alkyl chains having 1 to 12 carbon atoms, and at this time, R 1 to R 3 are the same or different from each other. And p is an integer from 3 to 14.)
前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して10乃至90質量%である、請求項19に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 19, wherein the content of the curable oligomer is 10 to 90 mass% with respect to the mass of the whole polymer electrolyte membrane. 前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して20乃至80質量%である、請求項20に記載の燃料電池システム。   21. The fuel cell system according to claim 20, wherein the content of the curable oligomer is 20 to 80% by mass with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記硬化型オリゴマーの含有量は、高分子電解質膜全体の質量に対して30乃至70質量%である、請求項21に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 21, wherein the content of the curable oligomer is 30 to 70 mass% with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、フッ素系、非フッ素系、炭化水素系プロトン伝導性高分子で形成されたものである、請求項19に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 19, wherein the proton conductive polymer is formed of a fluorine-based, non-fluorine-based, or hydrocarbon-based proton conductive polymer. 前記フッ素系プロトン伝導性高分子は、側鎖に、スルホン酸基、カルボン酸基、燐酸基、ホスホン酸基、及びこれらの誘導体からなる群より選択される陽イオン交換基を有するものである、請求項23に記載の燃料電池システム。   The fluorine-based proton conductive polymer has a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in the side chain. The fuel cell system according to claim 23. 前記フッ素系プロトン伝導性高分子は、イオン交換比が3乃至33であり、当量重量が500乃至2,000である、請求項24に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 24, wherein the fluorine-based proton conductive polymer has an ion exchange ratio of 3 to 33 and an equivalent weight of 500 to 2,000. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して10乃至90質量%である、請求項17に記載の燃料電池システム。   18. The fuel cell system according to claim 17, wherein the proton conductive polymer is 10 to 90% by mass with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して20乃至80質量%である、請求項26に記載の燃料電池システム。   27. The fuel cell system according to claim 26, wherein the proton conductive polymer is 20 to 80% by mass with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、高分子電解質膜全体の質量に対して30乃至70質量%である、請求項27に記載の燃料電池システム。   28. The fuel cell system according to claim 27, wherein the proton conductive polymer is 30 to 70% by mass with respect to the mass of the entire polymer electrolyte membrane. 前記プロトン伝導性高分子は、親水性モノマーと疎水性モノマーを共重合してバイブロック又はトリブロック形態の共重合体を製造し、前記共重合体をスルホン化して製造されたものである、請求項17に記載の燃料電池システム。   The proton conductive polymer is produced by copolymerizing a hydrophilic monomer and a hydrophobic monomer to produce a biblock or triblock copolymer, and sulfonating the copolymer. Item 18. The fuel cell system according to Item 17. 前記高分子電解質膜は有機及び無機添加物をさらに含む、請求項17に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 17, wherein the polymer electrolyte membrane further includes organic and inorganic additives. 前記有機及び無機添加物は親水性無機イオン伝導体である、請求項30に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 30, wherein the organic and inorganic additives are hydrophilic inorganic ion conductors. 前記無機イオン伝導体は、リンタングステン酸、ケイ素タングステン酸、リン酸水素ジルコニウム、α−Zr(Oa1PCHa2OH)(Ob1PCb2b4SOb5H)・nHO(ここで、a1、a2、a、b1、b2、b4、b5、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、ν−Zr(POa1)(Ha2POa3(HOb1PCb2b3SOb4H)・nHO(ここで、a1、a2、a3、a、b1、b2、b3、b4、b5、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、Zr(Oa1PCa2a3(ここで、a1、a2、a3、a、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数である。)、Zr(Oa1PCHa2OH)・nHO(ここで、a1、a2、a、及びbは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、α−Zr(Oa1PCa2a3SOa4H)・nHO(ここで、a1、a2、a3、a4、及びaは、同一であるか又は互いに独立的に0乃至14の整数であり、nは0乃至50の整数である。)、α−Zr(Oa1POH)・HO(ここで、a1は0乃至14の整数である。)、(P(ZrOガラス(ここで、a及びbは01乃至14の整数である。)、及びP−ZrO−SiOガラスからなる群より選択される一つ及び一つ以上の混合物からなる群より選択されるものである、請求項31に記載の燃料電池システム。 The inorganic ion conductor includes phosphotungstic acid, silicon tungstic acid, zirconium hydrogen phosphate, α-Zr (O a1 PCH a2 OH) a (O b1 PC b2 H b4 SO b5 H) b · nH 2 O (where , A1, a2, a, b1, b2, b4, b5, and b are the same or independently an integer from 0 to 14, and n is an integer from 0 to 50), ν−. Zr (PO a1 ) (H a2 PO a3 ) a (HO b1 PC b2 H b3 SO b4 H) b · nH 2 O (where a1, a2, a3, a, b1, b2, b3, b4, b5, And b are the same or independently an integer of 0 to 14, and n is an integer of 0 to 50.), Zr (O a1 PC a2 H a3 ) a Y b (where a1 , A2, a3, a, and b Is identical or mutually integer from 0 to 14.), Zr (O a1 PCH a2 OH) a Y b · nH 2 O ( where, a1, a2, a, and b are the same Or an integer of 0 to 14 and n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 PC a2 Ha a3 SO a4 H) a · nH 2 O (where, a1, a2, a3, a4, and a are the same or independently an integer of 0 to 14 and n is an integer of 0 to 50), α-Zr (O a1 POH). H 2 O (where a1 is an integer from 0 to 14), (P 2 O 5 ) a (ZrO 2 ) b glass (where a and b are integers from 01 to 14), and P 2 O 5 -ZrO 2 -SiO 2 one and one selected from the group consisting of glass It is those selected from the group consisting of a mixture of above, the fuel cell system according to claim 31.
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